1.55μm相干激光测风雷达平衡式探测接收实验

研究了用于相干激光测风雷达信号接收的平衡式探测接收技术.推导出了平衡式相干探测过程的数学模型和信噪比表达式,并通过仿真软件对该模型进行了模拟仿真.在同等输入条件下,当平衡式相干探测系统的最佳分束比范围在[0.293,0.707]时,其信噪比比普通相干探测的信噪比高.此外,平衡式探测接收还具有判断风向的功能,最后通过实验验证了仿真结果.     

1.55 μm相干激光测风雷达平衡式探测接收实验

研究了用于相干激光测风雷达信号接收的平衡式探测接收技术.推导出了平衡式相干探测过程的数学模型和信噪比表达式,并通过仿真软件对该模型进行了模拟仿真.在同等输入条件下,当平衡式相干探测系统的最佳分束比范围在[0.293,0.707]时,其信噪比比普通相干探测的信噪比高.此外,平衡式探测接收还具有判断风向的功能,最后通过实验验证了仿真结果.     

双平衡式探测在激光测速仪中的应用研究

为了增大激光多普勒测速仪的测量距离,设计了基于马赫-曾德尔环形结构的双平衡式探测接收系统来提高灵敏度。基于平衡探测光电流的表达式,推导了平衡探测系统信噪比的表达式并对相关因素进行仿真实验。仿真结果表明:在相同光信号输入条件下,当两个探测器的量子效率比值在(0.236,1)之间时,平衡探测系统的信噪比高于普通相干探测系统的信噪比,并且当探测器量子效率相等时,信噪比最大。最后通过实验验证量子系数的比值对信噪比的影响。,     

相干探测系统最佳本振光功率测量方法(特邀)

相干探测系统受光电探测器非线性效应作用,难以达到散粒噪声极限下信噪比,存在最佳本振光功率使得系统信噪比最大。针对系统最佳本振光功率难以确定的问题,首先分析基于平衡探测器的最佳本振光功率理论,提出基于互相关法和频谱法直接测量外差信号并计算信噪比以确定最佳本振光功率,搭建实验完成了三型光电探测器对应的系统测试。结果表明,测量的信噪比随本振光功率的变化曲线与理论基本吻合,可以准确得到不同探测器对应的最佳本振光功率。本文方法可用于确定相干探测系统最佳本振光功率以及提高系统信噪比。     

高速相干光通信平衡探测器研究

通过对相干光通信平衡探测器原理及关键技术进行分析,设计了一套高速平衡探测系统,并在室内构建了相干光通信测试平台.测试实验发现:该平衡探测器可以实现不同速率的相干探测,可为相干光通信提供有利的条件.在2.5Gbps通信速率下直接探测时,单管灵敏度可以达到-26dBm,动态范围为-26~3dBm;在本振光为3dBm时,相干探测的灵敏度可以达到-46.5dBm,动态范围为-46.5~3dBm.     

强激光对星载光电探测系统的干扰与破坏研究

建立了激光辐照星载光电探测器的数学模型,对激光干扰和破坏星载光电系统的机理进行了研究,分析了激光光束与探测器光轴的偏角对干扰和破坏的影响.以CO2激光辐照HgCdTe探测器的实例,研究了强激光对探测单元的破坏,得到其损伤阈值曲线,并从理论上证明了强激光对星载光电探测系统干扰和破坏的可行性.     

探测器及其噪声模型研究进展

无线光通信系统中,接收端由光电探测器实现光电转换,而探测器中存在的噪声会直接影响光电转换效率。文章以无线光通信为背景,根据光电探测器噪声的产生机理,对探测器的散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声和热噪声分进行描述,并且给出相对应的数学模型。结合具体的雪崩光电探测器、正本征负探测器、光电倍增管、四象限探测器、量子点红外探测器、平衡探测器及双平衡探测器分别分析各自的噪声模型。最后指明了该领域的进一步研究工作方向。     

基于信噪比通道宽度的光电成像系统匹配方法的研究

将光电成像系统中的光学系统和探测器视为线性系统,应用匹配滤波和等效平方带宽理论,综合考虑了系统的信噪比和带宽,建立了基于信噪比通道宽度的系统性能评价模型。利用评价模型进行计算机仿真。根据仿真结果分析,得出了光学系统与探测器的匹配特性和最佳匹配条件。     

临近空间高空气球地基探测能力分析

基于探测系统背景辐射特性及高空气球辐射特性,建立了探测系统辐射接收模型.考虑大气传输、光学系统成像、探测器及其采样对辐射的影响,精确计算了高空气球辐射及背景辐射在探测器焦平面阵列上产生的信号电子数,推导出用于高空气球探测的信噪比.利用Modtran软件仿真计算了自身辐射、镜背景辐射、漫背景辐射亮度,分析了复杂大气条件下的气球辐射特性,及高空气球镜反射率、漫反射率与积分时间对探测系统信噪比的影响.结果表明:采用光谱滤波技术,在晴朗无云天气下,可见光近红外(0.6~2.4)探测器适合高空气球探测;在复杂大气条件下,长波红外(8~12)探测器适合高空气球探测;在积分时间为0.25s,镜反射率为0.32,漫反射率为0.68时,或积分时间为1s,镜反射率0.43,漫反射率0.57时,探测系统对高空气球探测能力最强.     

相干测风激光雷达的数值建模和仿真分析

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。     

基于相位调制本振的相干检测系统

提出了一种简化的相干检测系统,通过在时域上交替探测信号的同向(Ⅰ)及正交(Q)信息分量,实现了基于单个平衡光电探测器(BPD)的相位分集接收.仿真结果表明,25 Gbit/s的非归零信号经过25 km标准单模光纤传输时,在10-3误码率门限下,其接收灵敏度为 39.97 dBm.用Gram-Schmidt正交化过程算法对信号光与本振(LO)光之间频率偏移引起的I、Q分量失配角进行补偿,当频率偏移小于符号速率的1/5(±5 GHz)时,灵敏度代价约为3.2 dB.此外,当LO光功率较高时,用单PD取代BPD的灵敏度损失约为3 dB.本方案为实现低成本的相干检测提供了一种解决方法.     

非理想平衡零拍探测系统对实测压缩度的影响

在实际测量过程中由于各种条件的限制,如非理想的50…50分束器、本底光与信号光的干涉效率和探测器有限的共模抑制比,都将造成实际测量的结果不能如实反映压缩态的水平。基于平衡零拍探测(BHD)的理论背景,结合干涉效率对压缩度的影响,定量分析了非理想平衡零拍探测系统对测量压缩度的影响,构建了压缩度测量偏差、实际压缩度、50…50分束器的分束比、本底光与信号光的干涉效率和平衡零拍探测器的共模抑制比(CMRR)的关系。该分析结果对于量化压缩度的测量误差、估算压缩光产生系统的实际压缩度有重要意义。     

100Gb/sPM-QPSK相干光接收系统中改进的带内OSNR监测方法（英文）

为保证偏分复用正交相移键控(PM-QPSK)相干光通信系统的传输性能,提出了一种改进的基于高阶统计矩的光信噪比监测方案.该方案针对不同调制格式给出了不同的修正值,因此对调制格式透明.在搭建的100Gb/s PM-QPSK相干接收系统中对该方案进行了数值仿真,结果表明:当光信噪比在5~25dB的范围内,不同占空比调制码型的监测误差均小于0.5dB;光信噪比参考值为14dB时,在0.5dB的监测范围内,色散容忍度为2 400ps/nm,对一阶偏振模色散的容忍度为62ps.     

相干场成像探测器噪声定量化占比模型

为解决激光相干场成像系统探测器噪声相对总噪声的定量化占比估计问题,分析探测器噪声是否为主要噪声源,提出一种探测器噪声占比权重定量化分析计算方法.基于光电子统计方法得到系统信噪比方程,并引入信噪比中间参数估计方程,建立了探测器噪声相对总噪声的占比权重定量化计算模型.结合理论分析与实验测量进行验证,结果表明:针对构建的相干场成像实验系统,探测器噪声占比权重达52%,进一步分析可知实验在大气相对宁静的夜晚进行,系统受背景光噪声和湍流噪声影响小,探测器噪声是主要噪声源.所提方法可有效估算探测器噪声占比权重,具有便捷、高效的特点,可用于实际相干场成像系统探测器噪声定量化评估测量分析.     

用于连续变量量子存储的快速响应平衡零拍探测器

改进了连续变量量子存储的平衡零拍探测器,得到了一种可以实时测量短脉冲光信号正交分量的快速响应平衡零拍探测器。利用无电容电路,以及高量子效率、低结电容的光电二极管,获得的平衡零拍探测器的响应时间为65ns;当波长为795nm、功率大于100μW的激光入射时,在2.5 MHz处的信噪比超过12dB,相应的饱和功率为6.8mW。该平衡零拍探测器可以应用于连续变量量子存储、量子网络等研究领域中。     

光学外差探测信噪比研究

对于光学外差探测系统而言,为了有效利用回波信号,需要对信噪比这一表征系统性能的重要指标进行研究。从理论分析了信噪比,给出了计算信噪比的一般公式。理论分析表明,当探测器光敏面上本振光与信号光的振幅、相位、偏振都满足严格的匹配时,外差效率最大。对场分布为艾里函数的光外差信噪比进行研究和数值模拟。结果表明,当艾里斑尺寸的比例系数控制在0.8~1.2内,并使信号光斑主轴偏移量x0控制在0.5以下,探测器的尺寸在(0.6~0.8)λf/d内时,可获得大于0.7ηPs/hνB的信噪比。     

双Wollaston棱镜光强分束比研究

利用折射定律和菲涅耳公式，研究了双Wollaston棱镜的光强分束比随入射光波长、棱镜结构角以及入射角等参量的变化关系，并进行了实验验证.结果表明：光强分束比随入射光波长的增大呈线性递减趋势；棱镜的结构角越小，光强分束比也越接近1；入射角对光强分束比的影响基本呈二次曲线型变化；当光正入射时，光强分束比最接近于1.给出了理论曲线和实验值的对比.     

探测器像元尺寸对航空光电系统成像性能影响分析

针对航空光电系统成像性能要求,从探测器像元尺寸出发,研究了探测器像元尺寸对探测器动态范围、信噪比、调制传递函数等性能参数的影响,并分析了探测器像元尺寸对光电系统分辨率、信噪比、探测识别作用距离等总体性能参数的影响,最后列举了国外典型航空光电系统参数及其选用的探测器参数。通过分析探测器性能参数与系统总体性能参数之间的关系,给出探测器像元尺寸选型及航空光电系统Fλ/d典型值的建议,即一般情况下航空光电系统为了获得远距离高像质图像,优先选用大像元探测器,并综合权衡探测器像元尺寸与系统Fλ/d之间的关系,将Fλ/d控制在2以内。     

基于1.06μm波长的谐振腔型石墨烯光电探测器的信噪比分析

雪崩光电二极管由于具有高增益特性而广泛应用于激光测距机中,但由于在电流倍增过程中引入的高附加噪声,使激光测距机进一步提高信噪比遇到了瓶颈。石墨烯具有高电子迁移率、零带隙结构、独特光吸收系数等特性使其广泛应用于激光器、光调制器、透明电极以及超快光电探测器。该研究提出了一种高信噪比的谐振腔型石墨烯光电探测器的设计方法。以波长为1.06μm的激光为例,采用光学传输矩阵法和散射矩阵法,研究了光波在谐振腔传输和吸收层吸收的机理,建立了谐振腔型光电探测器的光吸收模型,通过优化,器件最终量子效率达到91.2%,响应度达到0.778A·W~(-1),半高全宽达到6nm;分析石墨烯在谐振腔中的位置对器件吸收率的影响,发现在满足谐振条件下,器件吸收率随石墨烯位置呈现周期性变化,腔长的改变不改变吸收率峰值,而是改变了吸收率峰值对应的石墨烯在谐振腔中的位置,当腔长是入射光半波长的n倍时,随着石墨烯位置变化,将出现2n个吸收率峰值,且关于谐振腔中心点对称分布;选择石墨烯距顶层反射镜0.402 8μm时,器件吸收率达到94%,相比单层石墨烯,吸收率提高了16dB;通过对比求解谐振腔型石墨烯光电探测器和雪崩光电二极管信噪比方程,得出谐振腔型石墨烯光电探测器信噪比可达到90.3,较雪崩光电二极管提高了10dB;理论分析表明,谐振腔型石墨烯光电探测器具有高吸收率、高量子效率和高信噪比,研究成果将对激光测距机接收系统中光电探测器的更新设计和应用提供理论参考。     

THz光谱技术检测DNAN炸药含量的研究

为了对一种新型低感熔铸炸药(DNAN)含量进行检测,设计了THz光谱相干探测系统,检测确定了DNAN的THz特征波长位置,又利用比尔朗伯定律求解了DNAN的含量。设计了由主控系统控制步进电机实现光电探测器微扫描的时间相干THz光谱检测系统,计算推导了DNAN含量求解需要的系统参数,获得了DNAN的THz特征光谱。实验采用三种方法分别对不同DNAN含量的爆炸物样品进行检测,结果显示,该系统精度接近目前广泛应用的THz光谱检测设备MINI-Z太赫兹光谱仪。在此基础上,设计了特征吸收峰优化算法,通过Origin软件仿真分析可知,该算法可以进一步提高系统的探测精度及稳定性。